本發(fā)明涉及通過摩擦攪拌接合對工件進行接合時使用的摩擦攪拌接合用工具及具備摩擦攪拌接合用工具的摩擦攪拌接合裝置。

本申請基于2014年8月28日申請的特愿2014－173990號主張優(yōu)先權(quán)，并在此引用其內(nèi)容。

背景技術(shù)：

作為將由兩個部件構(gòu)成的工件接合的方法之一，已知有摩擦攪拌接合。

摩擦攪拌接合是在利用工具的臺肩面對工件的接合部進行加壓的狀態(tài)下使工具旋轉(zhuǎn)，利用由此在工件的表面上產(chǎn)生的摩擦熱將工件接合的接合方法。

在此，在摩擦攪拌接合中，在接合時，工件被工具攪拌而產(chǎn)生塑性流動。而且，為了在抑制接合缺陷等產(chǎn)生的同時進行接合，需要使塑性流動的工件的材料積極地流入接合部的內(nèi)部。

專利文獻1中公開有一種為了提高接合的穩(wěn)定性及工件對工具的耐粘著性而在探針上設(shè)置有被覆層的工具。而且，專利文獻1中記載有，為了提高工具上的耐粘著性，被覆層的表面粗糙度Ra優(yōu)選為不超過0.6μm的數(shù)值。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1：國際公開第2013/129320號

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的課題

如上述，專利文獻1所公開的被覆層的表面粗糙度Ra的數(shù)值優(yōu)選為不超過0.6μm。即，表面粗糙度Ra的數(shù)值優(yōu)選為較小。因此，在專利文獻1所記載的工具中，因為被覆層的表面粗糙度Ra的值小，所以通過工具的旋轉(zhuǎn)不能充分地產(chǎn)生摩擦熱，不能期待足夠的塑性流動。

特別是，在探針的前端位置，工具相對于工件的周速為0，工件不易被攪拌。因此，需要使塑性流動的工件積極地流入探針的前端。

本發(fā)明提供一種能夠使工件產(chǎn)生充分的塑性流動，能夠良好地進行工件的接合的摩擦攪拌接合用工具、使用摩擦攪拌接合用工具的摩擦攪拌接合裝置及摩擦攪拌接合方法。

用于解決課題的技術(shù)方案

本發(fā)明第一方面提供一種摩擦攪拌接合用工具，其具備：第一面，其在與工件的接合部接觸的狀態(tài)下相對于該接合部以軸線為中心相對旋轉(zhuǎn)，并且，算術(shù)平均粗糙度Ra的值為0.8μm以上、25μm以下；第二面，其與所述第一面連續(xù)地形成，與所述接合部接觸并相對于該接合部以軸線為中心相對旋轉(zhuǎn)，并且，算術(shù)平均粗糙度Ra的值比所述第一面小。

根據(jù)這種摩擦攪拌接合用工具，當工具以軸線為中心進行旋轉(zhuǎn)時，通過算術(shù)平均粗糙度Ra為0.8μm以上、25μm以下的較粗糙的第一面使摩擦熱增大。其結(jié)果，增大工件的攪拌量，促進塑性流動。進而，可以在通過比第一面平滑的第二面抑制塑性流動的工件的粘著的同時，使由第一面攪拌的工件的材料流入接合部。

另外，本發(fā)明第二方面的摩擦攪拌接合用工具中在上述第一方面的基礎(chǔ)上，也可以是，在所述第一面上，算術(shù)平均粗糙度Ra的值為1.6μm以上、25μm以下。

通過將第一面的算術(shù)平均粗糙度Ra設(shè)為這樣的數(shù)值，可以進一步增大摩擦熱，使工件的攪拌量增大。其結(jié)果，可以進一步促進工件在第一面的塑性流動。

另外，本發(fā)明第三方面的摩擦攪拌接合用工具在上述第一方面的基礎(chǔ)上，也可以是，在所述第一面上，算術(shù)平均粗糙度Ra的值為3.2μm以上、25μm以下。

通過將第一面的算術(shù)平均粗糙度Ra設(shè)為這樣的數(shù)值，可進一步增大摩擦熱，使工件的攪拌量增大。其結(jié)果，可以進一步促進工件在第一面的塑性流動。

另外，本發(fā)明第四方面的摩擦攪拌接合用工具在上述第一～第三方面中任一方面的基礎(chǔ)上，也可以是，還具備：探針，其在接合時插入于工件的接合部，成為以軸線為中心形成的柱狀，且繞該軸線進行旋轉(zhuǎn)；臺肩，其成為以所述軸線為中心形成的柱狀，與所述探針一同旋轉(zhuǎn)，且具有在接合時被加壓于所述工件的表面的臺肩面，所述第一面及所述第二面在周向上相互相鄰地形成于所述探針的外周面。

通過探針的旋轉(zhuǎn)，由第一面攪拌的工件在探針的外周面上以向周向擴展的方式移動，促進塑性流動。因此，可以向接合部流入更多的經(jīng)攪拌的工件。因此，可以進行良好的接合。

另外，本發(fā)明第五方面的摩擦攪拌接合用工具在上述第四方面的基礎(chǔ)上，也可以是，在所述第二面上形成有螺旋槽部，所述螺旋槽部形成隨著朝向所述探針上的所述周向的一方而朝向所述軸線的一方的螺旋狀。

工件自第一面的塑性流動由第二面的螺旋槽部引導。而且，通過適宜選擇工具的旋轉(zhuǎn)方向，可以將塑性流動的工件向探針的前端側(cè)引導。因此，可以使更多的經(jīng)攪拌的工件向接合部流入。因此，能夠進行更良好的接合。

另外，本發(fā)明第六方面的摩擦攪拌接合用工具在上述第一～第三方面中任一方面的基礎(chǔ)上，也可以是，具備：探針，其在接合時插入于工件的接合部，成為以軸線為中心形成的柱狀，且繞該軸線進行旋轉(zhuǎn)；臺肩，其成為以所述軸線為中心形成的柱狀，與所述探針一同旋轉(zhuǎn)，且具有在接合時被加壓于所述工件的表面的臺肩面，所述第一面及所述第二面在周向上相互相鄰地形成于所述臺肩面。

通過臺肩的旋轉(zhuǎn)，由第一面攪拌的工件在臺肩面上以向周向擴展的方式移動，促進塑性流動。因此，能夠使更多的經(jīng)攪拌的工件向接合部流入。因此，能夠進行良好的接合。

另外，本發(fā)明第七方面的摩擦攪拌接合用工具在上述第六方面的基礎(chǔ)上，也可以是，在所述臺肩面上形成有螺旋槽部，所述螺旋槽部形成在周向上隨著朝向所述臺肩的旋轉(zhuǎn)方向的前方而朝向所述軸線的徑向外側(cè)的螺旋狀，所述第一面是所述臺肩面中的除形成有所述螺旋槽部的位置之外的面，所述第二面是所述螺旋槽部的內(nèi)表面。

這樣，自第一面的工件的塑性流動通過更平滑的第二面的螺旋槽部引導。而且，隨著臺肩面的旋轉(zhuǎn)向探針側(cè)被引導。因此，能夠使更多的經(jīng)攪拌的工件的材料向接合部流入。因此，能夠進行更良好的接合。

另外，本發(fā)明第八方面提供一種摩擦攪拌接合裝置，其具備：上述第一～第七方面中任一方面的摩擦攪拌接合用工具；裝置主體部，其保持所述摩擦攪拌接合用工具，使該摩擦攪拌接合用工具相對于所述工件相對旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)這種摩擦攪拌接合裝置，當摩擦攪拌接合用工具以軸線為中心進行旋轉(zhuǎn)時，通過較粗糙的第一面使摩擦熱增大。而且，增大工件的攪拌量，促進工件的塑性流動。進而，可以在通過比第一面平滑的第二面抑制塑性流動的工件的粘著的同時，使由第一面攪拌的工件流入接合部。

另外，本發(fā)明第九方面提供一種摩擦攪拌接合方法，其包含：工具接觸工序，使算術(shù)平均粗糙度Ra的值為0.8μm以上、25μm以下的摩擦攪拌接合用工具的第一面與工件的接合部接觸，并且，使與所述第一面連續(xù)地設(shè)置且算術(shù)平均粗糙度Ra的值比所述第一面小的摩擦攪拌接合用工具的第二面與所述接合部接觸；旋轉(zhuǎn)工序，使所述第一面及所述第二面相對于所述接合部相對旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)這種摩擦攪拌接合方法，通過較粗糙的第一面使摩擦熱增大。由此，增大工件的攪拌量，促進工件的塑性流動。進而，可以在通過比第一面平滑的第二面抑制塑性流動的工件對摩擦攪拌接合用工具的粘著的同時，使由第一面攪拌的工件流入接合部。

發(fā)明效果

根據(jù)上述的摩擦攪拌接合用工具及摩擦攪拌接合裝置，可以使工件產(chǎn)生充分的塑性流動，能夠良好地進行工件的接合。

附圖說明

圖1是表示工件上設(shè)置有本發(fā)明第一實施方式的摩擦攪拌接合裝置的狀態(tài)的主視圖。

圖2是將本發(fā)明第一實施方式的摩擦攪拌接合裝置的工具的探針放大表示的圖，是從斜下方觀察的立體圖。

圖3是表示本發(fā)明第一實施方式的摩擦攪拌接合裝置的工具的探針上形成的第一面的算術(shù)平均粗糙度Ra和工件的攪拌性之間的關(guān)系的圖表。

圖4是表示使用了本發(fā)明第一實施方式的摩擦攪拌接合裝置的工具的摩擦攪拌接合方法的工序的流程圖。

圖5是表示工件上設(shè)置有本發(fā)明第二實施方式的摩擦攪拌接合裝置的狀態(tài)的主視圖。

圖6是表示本發(fā)明第二實施方式的摩擦攪拌接合裝置的工具的上臺肩面的圖，是圖5的A－A剖視圖。

圖7是表示本發(fā)明第二實施方式的摩擦攪拌接合裝置的工具的下臺肩面的圖，是圖5的B－B剖視圖。

具體實施方式

〔第一實施方式〕

以下，對本發(fā)明第一實施方式的摩擦攪拌接合裝置1進行說明。

如圖1所示，摩擦攪拌接合裝置1例如被設(shè)置在使兩張板材(或空心材料等)W1對接而成的工件W上的成為對接部的接合部Wa，通過摩擦攪拌接合進行工件W的接合。

該摩擦攪拌接合裝置1具備：摩擦攪拌接合用工具12(以下，簡稱為工具12)，其被加壓于接合部Wa；裝置主體部13，其保持工具12，在將工具12加壓于工件W的狀態(tài)下使工具12相對于工件W相對旋轉(zhuǎn)。

本實施方式中，裝置主體部13及工具12在進行接合時，從工件W的上方設(shè)置于工件W上。

工具12具備在接合時插入于工件W的接合部Wa的探針14和支承探針14的臺肩18。

探針14成為以軸線O為中心形成的圓柱狀，通過設(shè)置于裝置主體部13的未圖示的動力源繞軸線O進行旋轉(zhuǎn)。

另外，在探針14的外周面，遍及軸線O的方向的整個區(qū)域形成有成為螺旋狀的螺旋槽部14a。該螺旋槽部14a以隨著朝向周向的一方(工具12的旋轉(zhuǎn)方向R的前方)而朝向軸線O的一方(上方)的方式形成。即，螺旋槽部14a形成為右螺紋狀，工具12的旋轉(zhuǎn)方向R在從探針14的下方觀察工具12時成為順時針方向。

進而，在探針14上，在相互沿周向分開的多處(本實施方式中為三處)的位置，將形成螺旋槽部14a的外周面在軸線O方向上的整個區(qū)域沿著軸線O切去，形成第一面15。第一面15形成沿著軸線O的平面狀。在本實施方式中，這些第一面15在周向上等間隔地形成。

而且，在第一面15上，算術(shù)平均粗糙度Ra的值為0.8μm以上、25μm以下。

該算術(shù)平均粗糙度Ra的上限為25μm是因為，如圖3的A部所示，如果算術(shù)平均粗糙度Ra大于25μm，則塑性流動變得不均勻。換言之，本實施方式下Ra上限值的確定，要使塑性流動的方向不發(fā)生不均均的狀況下使經(jīng)攪拌的工件W流入接合部Wa。另外，Ra的下限為0.8μm是因為，如圖3的B部所示，如果Ra小于0.8μm，則從工具12向工件W的熱量輸入量不足，難以充分地產(chǎn)生塑性流動。

在此，算術(shù)平均粗糙度Ra的值更優(yōu)選為1.6μm以上、25μm以下，算術(shù)平均粗糙度Ra的值進一步優(yōu)選為3.2μm以上、25μm以下。

這樣，探針14在外周面具備第一面15和多處(本實施方式中為三處)第二面16，所述第二面16在周向上與第一面15相鄰，并且在周向上相互以等間隔分開，且形成有螺旋槽部14a。而且，第二面16的算術(shù)平均粗糙度Ra的值比第一面15小。因此，第二面16比第一面15更平滑。

第一面15及第二面16也可以分別在周向上不等間隔地形成。另外，第一面15及第二面16的數(shù)量雖然可以是若干個，但更優(yōu)選為各形成奇數(shù)個。

臺肩18以與探針14同軸的方式成為以軸線O為中心形成的圓柱狀。另外，臺肩18與工件W的一側(cè)表面(上表面)對置配置，支承探針14。臺肩18與探針14一同繞軸線O旋轉(zhuǎn)。另外，臺肩18具有在進行接合時對工件W的表面加壓的臺肩面18a。

在這種摩擦攪拌接合用工具12中，在接合時，首先，使工具12以軸線O為中心進行旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)工序S1：參照圖4)，之后，通過臺肩面18a對工件W加壓，同時使第一面15及第二面16與工件W的接合部Wa接觸(工具接觸工序S2：參照圖4)，可通過算術(shù)平均粗糙度Ra為0.8μm以上25μm以下的較粗糙的第一面15使摩擦熱增大。其結(jié)果，由第一面15攪拌的工件W以在探針14的外周面向周向擴展的方式移動，促進工件W的塑性流動。因此，可以使更多的經(jīng)攪拌的工件W向接合部Wa流入，能夠進行良好的接合。

進而，可以通過比第一面15平滑的第二面16抑制塑性流動的工件W的粘著，并且能夠使由第一面15攪拌的工件W的材料流入接合部Wa。

進而，在第二面16上形成有螺旋槽部14a。因此，隨著工具12的旋轉(zhuǎn)，來自第一面15的工件W的塑性流動由第二面16的螺旋槽部14a進行引導，向探針14的前端側(cè)被引導。因此，可以使更多的經(jīng)攪拌的工件W向接合部Wa流入，能夠良好地接合工件W。

另外，如果將第一面15的算術(shù)平均粗糙度Ra的值設(shè)為1.6μm以上、25μm以下，進而優(yōu)選設(shè)為3.2μm以上、25μm以下，則可通過第一面15進一步增大摩擦熱，能夠進一步增大工件W的攪拌量。因此，能夠進一步促進工件W在第一面15上的塑性流動，工件W向接合部Wa的塑性流動量增大，可良好地接合工件W。

進而，因為第一面15的算術(shù)平均粗糙度Ra的值為0.8μm以上、25μm以下，所以探針14的表面較粗糙。因此，不需要進行使第一面15平滑的精密加工。其結(jié)果可以降低成本。

在此，在本實施方式中，也可以不必在第二面16形成螺旋槽部14a。

〔第二實施方式〕

以下，參照圖5說明本發(fā)明第二實施方式的摩擦攪拌接合裝置21。

對于與第一實施方式相同的構(gòu)成要素標注同一附圖標記，并省略詳細說明。

本實施方式中，工具22與第一實施方式不同。

即，本實施方式中，工具22具備在接合時插入于工件W的接合部Wa的探針24、從上方支承探針24的上臺肩25、及從下方支承探針24的下臺肩27。

探針24成為以軸線O為中心形成的圓柱狀。探針24通過設(shè)置于裝置主體部13的未圖示的動力源繞軸線O進行旋轉(zhuǎn)。

另外，在探針24的外周面，遍及軸線O方向的整個區(qū)域形成有成為螺旋狀的探針槽部24a。作為該探針槽部24a，以探針24的軸線O方向的中央位置為界，形成有在探針24上的上臺肩25側(cè)形成的第一槽部24a1和在探針24上的下臺肩27側(cè)形成的第二槽部24a2。

第一槽部24a1以隨著朝向周向的一方(工具22的旋轉(zhuǎn)方向R的前方)而朝向軸線O的一方(上方)的方式形成。即，第一槽部24a1以左螺紋狀形成。而且，工具22的旋轉(zhuǎn)方向R在從探針24的下方觀察工具22時，成為逆時針旋轉(zhuǎn)方向。

第二槽部24a2以隨著朝向周向的一方(工具22的旋轉(zhuǎn)方向R的前方)而朝向軸線O的另一方(下方)的方式形成。即，第二槽部24a2以右螺紋狀形成。

這樣，在探針24的外周面，以探針24的軸線O方向的中央位置為界，形成有左螺紋狀的槽部和右螺紋狀的槽部。

上臺肩25與探針24同軸，成為以軸線O為中心形成的圓柱狀。上臺肩25與成為工件W的一側(cè)表面的上表面對置配置。另外，上臺肩25支承探針24并與探針24一同旋轉(zhuǎn)。另外，上臺肩25具有在接合時被工件W的上表面加壓的上臺肩面26。

如圖6所示，在上臺肩面26形成有在周向上隨著朝向工具22的旋轉(zhuǎn)方向R的前方而朝向軸線O的徑向外方的呈螺旋狀的第一螺旋狀槽部26a。即，從下方觀察時，第一螺旋狀槽部26a以渦旋狀形成。

在上臺肩面26的徑向外側(cè)的位置，第一螺旋狀槽部26a向上臺肩25的外周面即外周側(cè)端緣開口，在徑向內(nèi)側(cè)的位置與探針24的外周面連續(xù)。

下臺肩27與探針24同軸，成為以軸線O為中心形成的圓柱狀。下臺肩27與成為工件W的另一側(cè)表面的下表面對置配置。另外，下臺肩27支承探針24并與探針24一同旋轉(zhuǎn)。另外，下臺肩27具有在接合時被工件W的下表面加壓的下臺肩面28。

如圖7所示，在下臺肩面28上形成有在周向上隨著朝向工具22的旋轉(zhuǎn)方向R的前方而朝向軸線O的徑向外方的呈螺旋狀的第二螺旋狀槽部28a。即，從上方觀察時，第二螺旋狀槽部28a以渦旋狀形成。

在下臺肩面28的徑向外側(cè)的位置，第二螺旋狀槽部28a向下臺肩27的外周面即外周側(cè)端緣開口，在徑向內(nèi)側(cè)的位置與探針24的外周面連續(xù)。

另外，上臺肩面26及下臺肩面28中，上臺肩面26及下臺肩面28上的形成有第一螺旋狀槽部26a及第二螺旋狀槽部28a的部分以外的部分(以下，稱為山部)的表面成為與第一實施方式的第一面15相同的第一面35。即，上述山部的表面的算術(shù)平均粗糙度Ra的值為0.8μm以上、25μm以下，優(yōu)選為1.6μm以上、25μm以下，進一步優(yōu)選為3.2μm以上、25μm以下。

而且，第一螺旋狀槽部26a及第二螺旋狀槽部28a的內(nèi)表面成為與第一實施方式的第二面16相同的第二面36。

根據(jù)本實施方式的摩擦攪拌接合裝置21，如果摩擦攪拌接合用工具22以軸線O為中心進行旋轉(zhuǎn)，則可以通過上臺肩面26及下臺肩面28上的較粗糙的第一面35使摩擦熱增大。因此，增大工件W的攪拌量，促進工件W的塑性流動。

而且，內(nèi)表面由比第一面35平滑的第二面36即第一螺旋狀槽部26a及第二螺旋狀槽部28a進行引導。因此，隨著上臺肩面26及下臺肩面28的旋轉(zhuǎn)而塑性流動的工件W的材料朝向成為探針24側(cè)的徑向內(nèi)側(cè)被引導。因此，可以使更多的經(jīng)攪拌的工件W向接合部Wa流入，能夠進行良好的接合。

進而，在探針24上，作為探針槽部24a，形成有成為相互不同的方向的螺紋狀的第一槽部24a1及第二槽部24a2。因此，伴隨工具22的旋轉(zhuǎn)，被第一螺旋狀槽部26a及第二螺旋狀槽部28a引導的塑性流動的工件W被送往接合部Wa的內(nèi)部(參照圖5的箭頭)。因此，能夠進一步抑制接合部Wa的內(nèi)部的接合缺陷的產(chǎn)生，同時能夠進行良好的接合。

在此，在本實施方式中，作為工具22，使用了具備探針24、上臺肩25及下臺肩27的旋轉(zhuǎn)工具，但例如也可以適用于使用具有上臺肩25(或下臺肩27)及探針14的第一實施方式的工具12的情況。

以上，對本發(fā)明的實施方式進行了詳細說明，但在不脫離本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)也可以進行一定程度的設(shè)計變更。

例如，也可以在第一實施方式的工具12上形成與第二實施方式的工具22的第一螺旋狀槽部26a相同的槽部。

例如，在上述的實施方式中，作為工件W，對將使兩張板材W1對接而成的工件進行接合的情況進行了說明，但對于作為工件W，使兩張板材W1重合而成的工件，也可以使用上述各實施方式的工具12、22進行接合。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

根據(jù)上述的摩擦攪拌接合用工具、使用摩擦攪拌接合用工具的摩擦攪拌接合裝置及摩擦攪拌接合方法，可以使工件產(chǎn)生充分的塑性流動，能夠良好地進行工件的接合。

附圖標記說明

1 摩擦攪拌接合裝置

12 (摩擦攪拌接合用)工具

13 裝置主體部

14 探針

14a 螺旋槽部

15 第一面

16 第二面

18 臺肩

18a 臺肩面

21 摩擦攪拌接合裝置

22 (摩擦接合用)工具

24 探針

24a 探針槽部

24a1 第一槽部

24a2 第二槽部

25 上臺肩

26 上臺肩面

26a 第一螺旋狀槽部

27 下臺肩

28 下臺肩面

28a 第二螺旋狀槽部

35 第一面

36 第二面

W 工件

Wa 接合部

W1 板材

O 軸線

R 旋轉(zhuǎn)方向

S1 旋轉(zhuǎn)工序

S2 工具接觸工序